DE102009029621A1 - Detection device for detecting gas within operating temperature range of detection device, has electrically conductive metal electrode and rear electrode made of metal or semiconductor material - Google Patents
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Abstract
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Detektionsvorrichtung und ein Verfahren zur Detektion eines Gases.The present invention relates to a detection device and a method for detecting a gas.
Die Patentschrift
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Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung eine Detektionsvorrichtung zur Detektion eines Gases und ein Verfahren zur Detektion eines Gases gemäß den unabhängigen Patentansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.Against this background, the present invention proposes a detection device for detecting a gas and a method for detecting a gas according to the independent patent claims. Advantageous embodiments emerge from the respective subclaims and the following description.
Metall-Isolator-Halbleiter-Strukturen (MIS-Strukturen) eignen sich zur Detektion von Gasen. Insbesondere Wasserstoff und wasserstoffhaltige Gase bewirken unter Verwendung einer katalytisch aktiven Metallelektrode, z. B. aus Pd, oder Pt, eine Änderung der Austrittsarbeiten, die sich in Form einer Kapazitätsänderung an der MIS-Struktur messen lässt. Typische Messungen wurden z. B. von
Außerdem wirken sich im Falle der MIS-Strukturen sogenannte Grenzflächenzustände, d. h. Ladungszustände innerhalb der Bandlücke am Übergang zwischen Isolator und Halbleiter, stark auf das elektrische Verhalten und insbesondere auf die Sensorsignalstabilität aus.In addition, in the case of MIS structures, so-called interface states, i. H. Charge states within the band gap at the junction between insulator and semiconductor, strong on the electrical behavior and in particular on the sensor signal stability.
Kern der Erfindung ist eine gassensitive nanostrukturierte Kapazität. Erfindungsgemäß kann zur Messung eines Gases, und insbesondere von Schadgasen, eine Kapazitätsstruktur verwendet werden, die aus mindestens einer nanostrukturierten Gaselektrode mindestens einem Dielektrikum sowie aus einer leitfähigen Rückelektrode bestehen kann. Die nanostrukturierte Gaselektrode kann Metallpartikel der Dimension mm bis 1000 nm oder im bevorzugten Bereich von 2 nm bis 100 nm aufweisen. Als Dielektrikum kann mindestens ein Isolationsmaterial, z. B. Al2O3, SiO2 oder Si3N4 verwendet werden. Die Gesamtdicke der Dielektrikum-Schichten kann kleiner als ein Mikrometer sein. Gemäß einer Ausführungsform kann ein Wert für die Gesamtdicke vorzugsweise kleiner als 200 nm sein. Im Gegensatz zu den bisher verendeten MIS-Strukturen besteht die erfindungsgemäße Rückelektrode entweder aus einem Metall oder aus einem hochdotierten Halbleiter. Die Dotierung des Halbleiters kann so gewählt werden, dass im gesamten Spannungsbereich, der im Sensorbetrieb verwendet wird, keine Verarmung des Halbleiters stattfinden kann. Dies kann alternativ auch dadurch sichergestellt werden, dass ein Halbleitermaterial verwendet wird, das sich bei Sensor-Betriebstemperatur in Eigenleitung befindet. Dadurch kann gewährleistet werden, dass selbst bei Verwendung eines Halbleiters Grenzflächenzustände keinen Einfluss auf das Sensorsignal nehmen können.The core of the invention is a gas-sensitive nanostructured capacity. According to the invention, a capacitance structure which can consist of at least one nanostructured gas electrode of at least one dielectric as well as of a conductive back electrode can be used for measuring a gas, and in particular of noxious gases. The nanostructured gas electrode may have metal particles of the dimension mm to 1000 nm or in the preferred range of 2 nm to 100 nm. As a dielectric, at least one insulating material, for. As Al2O3, SiO2 or Si3N4 can be used. The total thickness of the dielectric layers may be less than one micron. In one embodiment, a total thickness value may preferably be less than 200 nm. In contrast to the previously used MIS structures, the back electrode according to the invention consists either of a metal or of a highly doped semiconductor. The doping of the semiconductor can be chosen such that no depletion of the semiconductor can take place in the entire voltage range used in sensor operation. This can alternatively be ensured by using a semiconductor material which is in self-conduction at the sensor operating temperature. As a result, it can be ensured that interface states can not influence the sensor signal even when using a semiconductor.
Vorteilhafterweise wird somit eine Detektion von (Schad-)Gasen mittels einer nanostrukturierter Kapazität ermöglicht, die in einem breiten Temperaturbereich, beispielsweise von 25°C bis 1000°C, einsetzbar ist.Advantageously, a detection of (harmful) gases by means of a nanostructured capacity is thus possible, which can be used in a wide temperature range, for example from 25 ° C to 1000 ° C.
Mit der vorliegenden Erfindung können die im Stand der Technik aufgezeigten Nachteile vermieden und dennoch (Schad-)Gase kleinster Konzentrationen detektiert werden.With the present invention, the disadvantages identified in the prior art can be avoided and yet (harmful) gases of very small concentrations can be detected.
Der einfache Aufbau des erfindungsgemäßen Gassensors reduziert die Herstellungskosten gegenüber den MIS-Strukturen signifikant, da nur wenige Prozessschritte notwendig sind und aufgrund der kleinen Bauteildimensionen eine Vielzahl an Bauelementen auf kleiner Fläche integriert werden können. Weiterhin ist die nanostrukturierte Kapazität aufgrund ihres einfachen Aufbaus deutlich robuster gegenüber Degradationen als vergleichbare, auf Halbleitern basierende Bauelemente. Sie eignet sich damit prinzipiell für den Einsatz in rauen, insbesondere mit Abgasen belasteten Umgebungen und kann im Gegensatz zu den MIS-Strukturen über einen weiten Temperaturbereich betrieben werden.The simple design of the gas sensor according to the invention significantly reduces the manufacturing costs compared to the MIS structures, since only a few process steps are necessary and because of the small component dimensions, a multiplicity of components can be integrated in a small area. Furthermore, the nanostructured capacitance, due to its simple structure, is much more robust against degradation than comparable ones on semiconductors based components. It is therefore suitable in principle for use in harsh, in particular polluted with exhaust gases environments and can be operated over a wide temperature range in contrast to the MIS structures.
Da zur Messung der Gase keine Halbleitermaterialien, wie z. B. Si, oder SiC, benötigt werden, treten keine Grenzflächenzustände auf, die die elektrischen Eigenschaften bzw. die Signalstabilität des Sensors beeinflussen.As for the measurement of gases no semiconductor materials such. As Si, or SiC, are needed, no interface states occur that affect the electrical properties or the signal stability of the sensor.
Eine Funktionalität der erfindungsgemäßen gassensitiven nanostrukturierten Kapazität besteht darin, dass anhand von Impedanz- bzw. DC-Leckstrommessungen in unterschiedlicher Gasumgebung ein oder mehrere Gase detektiert werden können. Somit wird ein kostengünstiger und robuster Gassensor ermöglicht, der in einem weiten Temperaturbereich und in rauen (Ab-)Gasumgebungen eingesetzt werden kann.One functionality of the gas-sensitive nanostructured capacitance according to the invention is that one or more gases can be detected by means of impedance or DC leakage current measurements in different gas environments. Thus, a low-cost and robust gas sensor is enabled, which can be used in a wide temperature range and in harsh (Ab-) gas environments.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Detektionsvorrichtung zur Detektion eines Gases, innerhalb eines Betriebstemperaturbereiches der Detektionsvorrichtung, mit folgenden Merkmalen: einer elektrisch leitfähigen Metallelektrode, die ausgebildet ist, um bei einer Wechselwirkung mit dem Gas eine veränderbare elektrische Charakteristik der Vorrichtung auf eine dem Gas zuordenbare elektrische Charakteristik einzustellen; eine Rückelektrode aus einem Metall oder einem Halbleitermaterial, wobei das Halbleitermaterial so ausgebildet ist, dass es innerhalb des Betriebstemperaturbereichs in Eigenleitung ist oder dass es so hoch dotiert ist, dass es nicht verarmt werden kann; mindestens einer dielektrischen Dünnschicht, die zwischen der Metallelektrode und der Rückelektrode angeordnet ist; und einem Kontakt der Metallelektrode und einem Kontakt der Rückelektrode, die zum Bestimmen der dem Gas zuordenbaren elektrischen Charakteristik kontaktiert werden können, so dass das Gas über die zuordenbare elektrische Charakteristik detektiert werden kann.The present invention provides a detection device for detecting a gas, within an operating temperature range of the detection device, comprising: an electrically conductive metal electrode, which is adapted to, upon interaction with the gas, a variable electrical characteristic of the device to a gas-assignable electrical characteristic set; a back electrode made of a metal or a semiconductor material, wherein the semiconductor material is formed so that it is in self-conduction within the operating temperature range or that it is so highly doped that it can not be depleted; at least one dielectric thin film disposed between the metal electrode and the back electrode; and a contact of the metal electrode and a contact of the return electrode, which can be contacted to determine the gas characteristic assignable electrical characteristic, so that the gas can be detected via the assignable electrical characteristic.
Bei dem Gas kann es sich um ein Abgas eines Kraftfahrzeugs oder einer Verbrennungsanlage handeln. Typische zu detektierende Gasspezies sind bspw. Wasserstoff (H2), Kohlenwasserstoffe (z. B. C3H6), Stickoxide (NO, NO2, N2O), Ammoniak (NH3) und Kohlenmonoxid (CO).The gas may be an exhaust gas of a motor vehicle or an incinerator. Typical gas species to be detected are, for example, hydrogen (H2), hydrocarbons (for example C3H6), nitrogen oxides (NO, NO2, N2O), ammonia (NH3) and carbon monoxide (CO).
Durch die Detektion kann ein Vorhandensein oder ein Nichtvorhandensein sowie eine Konzentration des Gases ermittelt werden. Das betreffende Gas kann dabei in einem Gasgemisch vorliegen. Der Betriebstemperaturbereich kann eine untere und eine obere Temperaturgrenze angeben, zwischen denen die Detektionsvorrichtung einsetzbar ist. Beispielsweise kann die Betriebstemperatur auf eine Temperatur des zu erfassenden Gases an einer Grenzfläche zur Detektionsrichtung ausgerichtet sein. Eine obere Grenze des Betriebstemperaturbereichs der Detektionsvorrichtung kann beispielsweise bei 300°C, 500°C, 700°C, 900°C, 1100°C oder darüber angeordnet sein. Somit kann die Detektionsvorrichtung auch im Abgasstrom von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Die Metallelektrode, das Dielektrikum und die Rückelektrode können jeweils als Schichten ausgebildet sein, die aufeinander angeordnet sind, um einen Kondensator auszubilden. Dabei können die Metallelektrode und die Rückelektrode jeweils Gegenpole der Kapazität repräsentieren. Die gesamte Detektionsvorrichtung kann in Dünnschichttechnologie hergestellt werden. Die veränderbare elektrische Charakteristik, kann sich auf einen Kapazitätswert, einen Leitwert oder einen Widerstandswert der Detektionsvorrichtung beziehen. Eine Veränderung der elektrischen Charakteristik kann erfolgen, wenn die Wechselwirkung zwischen dem Gas und der Metallelektrode stattfindet. Die Wechselwirkung kann einen direkten Kontakt zwischen dem Gas und der Metallelektrode voraussetzen. Die Wechselwirkung kann beispielsweise eine Dissoziation des Gases an einer Oberfläche der Metallelektrode oder eine Diffusion des Gases in die Metallelektrode hinein umfassen. Abhängig von dem wechselwirkenden Gas kann sich die veränderbare elektrische Charakteristik auf einen speziellen Wert einstellen. Der spezielle Wert kann dabei von der Art und auch von der Konzentration des Gases abhängig sein. Um den speziellen Wert der veränderbaren elektrischen Charakteristik zu erfassen, können die Kontakte mit einer entsprechenden Messeinrichtung kontaktiert werden. Über die Messeinrichtung kann beispielsweise der Kapazitätswert, Leitwert oder der Widerstandswert der Detektionsvorrichtung erfasst werden. Über eine weitere Auswerteeinrichtung kann aus der erfassten elektrischen Charakteristik der Detektionsvorrichtung auf das Gas zurückgeschlossen werden. Dabei kann beispielsweise mindestens eine Nachschlagetabelle eingesetzt werden, die eine Zuordnung zwischen dem zu detektierenden Gas und der elektrischen Charakteristik der Detektionsvorrichtung umfasst. Auch kann die Nachschlagetabelle eine Zuordnung zwischen dem zu detektierenden Gas und einer zeitlichen Veränderung der elektrischen Charakteristik umfassen. Die zeitliche Veränderung der elektrischen Charakteristik kann beispielsweise ausgehend von einem Referenzwert definiert sein.The detection can detect a presence or absence as well as a concentration of the gas. The gas in question can be present in a gas mixture. The operating temperature range may indicate a lower and an upper temperature limit, between which the detection device can be used. For example, the operating temperature may be aligned with a temperature of the gas to be detected at an interface to the detection direction. An upper limit of the operating temperature range of the detection device may be, for example, 300 ° C, 500 ° C, 700 ° C, 900 ° C, 1100 ° C or more. Thus, the detection device can also be used in the exhaust stream of motor vehicles. The metal electrode, the dielectric and the back electrode may each be formed as layers arranged on each other to form a capacitor. In this case, the metal electrode and the return electrode can each represent opposite poles of the capacitance. The entire detection device can be manufactured in thin-film technology. The variable electrical characteristic may relate to a capacitance value, a conductance or a resistance value of the detection device. A change in the electrical characteristic may occur when the interaction between the gas and the metal electrode takes place. The interaction may require direct contact between the gas and the metal electrode. The interaction may include, for example, dissociation of the gas at a surface of the metal electrode or diffusion of the gas into the metal electrode. Depending on the interacting gas, the variable electrical characteristic may be set to a specific value. The specific value may depend on the type and also on the concentration of the gas. In order to detect the specific value of the variable electrical characteristic, the contacts can be contacted with a corresponding measuring device. By way of example, the capacitance value, conductance or the resistance value of the detection device can be detected via the measuring device. About another evaluation can be deduced from the detected electrical characteristic of the detection device to the gas. In this case, for example, at least one look-up table can be used, which comprises an association between the gas to be detected and the electrical characteristic of the detection device. Also, the look-up table may include an association between the gas to be detected and a time variation of the electrical characteristic. The temporal change of the electrical characteristic can be defined, for example, based on a reference value.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Rückelektrode der Detektionsvorrichtung aus einem Metall ausgebildet sein. Dadurch kann die Robustheit der Detektionsvorrichtung gegenüber Degradationen erhöht werden. Alternativ kann die Rückelektrode aus einem Halbleitermaterial ausgebildet sein. Besonderes Merkmal für das jeweils gewählte Halbleitermaterial ist, dass es eine hohe elektrische Leitfähigkeit innerhalb des gesamten Betriebstemperaturbereiches aufweist. Dies kann dadurch erzielt werden, dass die untere Grenze des Betriebstemperaturbereichs oberhalb einer Temperaturgrenze angeordnet wird, bei der die Eigenleitung des Halbleitermaterials einsetzt. Ferner kann das Halbleitermaterial so gewählt werden, dass zumindest im Betriebsbereich der Detektionsvorrichtung keine Verarmung des Halbleiters auftritt. Die Eigenschaft der elektrischen Leitfähigkeit innerhalb des Halbleiters kann sowohl rein intrinsischer als auch hochdotierter Natur sein. Die Leitfähigkeit kann somit durch Dotierung des Halbleitermaterials mit entsprechend geeigneten Elementen begünstigt werden. Wird die Rückelektrode aus einem hochdotieren Halbleitermaterial gebildet, so kann die Rückelektrode durch eine entsprechende Dotierung eines Halbleitersubstrats innerhalb eines die Rückelektrode ausbildenden Bereichs der Detektionsvorrichtung ausgebildet werden. Dadurch lässt sich die Detektionsvorrichtung noch kompakter aufbauen.According to one embodiment, the back electrode of the detection device may be formed of a metal. As a result, the robustness of the detection device against degradation can be increased. Alternatively, the back electrode may be formed of a semiconductor material. A particular feature of the particular semiconductor material chosen is that it has a high electrical conductivity within the entire operating temperature range. This can be achieved by the fact that lower limit of the operating temperature range is arranged above a temperature limit at which the intrinsic conduction of the semiconductor material begins. Furthermore, the semiconductor material can be chosen such that no depletion of the semiconductor occurs, at least in the operating range of the detection device. The property of electrical conductivity within the semiconductor may be purely intrinsic as well as highly doped. The conductivity can thus be promoted by doping the semiconductor material with correspondingly suitable elements. If the back electrode is formed from a highly doped semiconductor material, then the back electrode can be formed by a corresponding doping of a semiconductor substrate within a region of the detection device forming the back electrode. As a result, the detection device can be built even more compact.
Gemäß einer Ausführungsform können die Metallelektrode, die Rückelektrode und die mindestens eine dielektrische Dünnschicht mittels einer Dünnschichttechnologie hergestellt sein. Dies ermöglicht einen sehr kompakten Aufbau in Kombination mit geringen Herstellungskosten. Zur Prozessierung der Dünnschichten kommen Technologien wie CVD-(Chemical Vapor Deposition)Verfahren, z. B. LPCVD (Low Pressure CVD), PECVD (Plasma Enhanced CVD), ALD (Atomic Layer Deposition), thermische Oxidation, Plasma-Verfahren oder Sputter- bzw. Aufdampfverfahren in Frage.According to an embodiment, the metal electrode, the back electrode and the at least one dielectric thin film may be made by a thin film technology. This allows a very compact design in combination with low production costs. For processing of the thin films technologies such as CVD (Chemical Vapor Deposition) method, z. As LPCVD (Low Pressure CVD), PECVD (Plasma Enhanced CVD), ALD (Atomic Layer Deposition), thermal oxidation, plasma method or sputtering or vapor deposition in question.
Die Strukturierung der Elektroden und Dielektrika kann z. B. mittels Ionenstrahlätzen, nasschemischer Ätzverfahren, Elektronenstrahllithografie, Sputterverfahren oder Lift-Off-Verfahren erfolgen. Die nanoporös strukturierten Metallelektroden können mittels Aufdampf-, Sputter- oder nasschemischer Abscheideverfahren erzeugt werden.The structuring of the electrodes and dielectrics may, for. Example by ion beam etching, wet chemical etching, electron beam lithography, sputtering or lift-off process. The nanoporous structured metal electrodes can be produced by means of vapor deposition, sputtering or wet chemical deposition methods.
Die mindestens eine Metallelektrode zur Detektion der Gase kann bspw. aus Platin, Palladium, Gold, Rhodium, Rhenium, Ruthenium, Iridium, Titan, Titannitrid, Tantalnitrid sowie Legierungen daraus hergestellt werden.The at least one metal electrode for detecting the gases can be produced, for example, from platinum, palladium, gold, rhodium, rhenium, ruthenium, iridium, titanium, titanium nitride, tantalum nitride and alloys thereof.
Für die mindestens eine dielektrische Dünnschicht können Oxide wie z. B. Siliziumdioxid (SiO2), Aluminiumoxid (Al2O3), Hafniumoxid (HfO2), Tantaloxid (Ta2O5), Zirkonoxid (ZrO2), und/oder Nitride wie z. B. Siliziumnitrid (Si3N4), Bornittrid (BN), und/oder Carbide wie z. B. Siliziumcarbid, und/oder Silizide wie z. B. Wolframsilicid (WSi2), Tantalsilizid (TaSi2) verwendet werden.For the at least one dielectric thin film oxides such. As silica (SiO 2), alumina (Al 2 O 3), hafnium oxide (HfO 2), tantalum oxide (Ta 2 O 5), zirconium oxide (ZrO 2), and / or nitrides such. As silicon nitride (Si3N4), Bornittrid (BN), and / or carbides such. For example, silicon carbide, and / or silicides such. Tungsten silicide (WSi2), tantalum silicide (TaSi2).
Die Rückelektrode kann aus den gleichen Materialien wie die Metallelektrode gefertigt werden. Zusätzlich können in einer Ausführungsvariante Halbleitermaterialien wie z. B. Silizium (Si), Germanium (Ge), GalliumArsenid (GaAs), Indiumphospor (InP), Siliziumcarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) sowie weiterer dem Fachmann bekannten Verbindungshalbleiter verwendet werden.The back electrode can be made of the same materials as the metal electrode. In addition, in one embodiment, semiconductor materials such. As silicon (Si), germanium (Ge), gallium arsenide (GaAs), Indiumphospor (InP), silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN) and other compound semiconductor known in the art can be used.
Das Substrat kann aus einem elektrisch isolierenden Material wie z. B. Saphir hergestellt werden oder aus einem Halbleitermaterial, das innerhalb eines Betriebstemperaturbereiches der Detektionsvorrichtung elektrisch nicht leitend wirkt.The substrate may be made of an electrically insulating material such. B. sapphire or made of a semiconductor material which is electrically non-conductive within an operating temperature range of the detection device.
Gemäß einer Ausführungsform kann die dielektrische Dünnschicht aus mindestens zwei Schichten unterschiedlicher dielektrischer Materialien aufgebaut sein. Beispielsweise können einzelne Schichten hinsichtlich einem auftretenden Leckstrom oder eindiffundierenden Gasmolekülen optimiert sein.According to one embodiment, the dielectric thin film may be composed of at least two layers of different dielectric materials. For example, individual layers can be optimized with regard to an occurring leakage current or diffusing gas molecules.
Entsprechend einer Ausführungsform kann die Rückelektrode freiliegend ausgebildet sein und die Detektionsvorrichtung kann so zwischen einem ersten Gasraum mit dem Gas und einem zweiten Gasraum mit einem Referenzgas angeordnet werden, dass die Wechselwirkung der Metallelektrode (
Die elektrische Charakteristik kann einen komplexen Leitwert, eine Kapazität und/oder einen Widerstand der Vorrichtung repräsentieren. Solche Werte lassen sich messtechnisch einfach erfassen und auswerten. Beispielsweise können der komplexe Leitwert durch eine Wechselspannungsmessung und der Widerstand durch eine Gleichstrommessung ermittelt werden. Gemäß einer Ausführungsform kann die Metallelektrode eine geschlossene Oberfläche aufweisen. In diesem Fall kann die Wechselwirkung mit dem Gas an der Metall-Oberfläche stattfinden. Ein Eindiffundieren oder Eindriften des Gases in die Metallelektrode kann durch die geschlossene Oberfläche verhindert oder gehemmt werden.The electrical characteristic may represent a complex conductance, capacitance and / or resistance of the device. Such values can be easily detected and evaluated metrologically. For example, the complex conductance can be determined by an AC voltage measurement and the resistance by a DC measurement. According to one embodiment, the metal electrode may have a closed surface. In this case, the interaction with the gas may take place on the metal surface. A diffusion or penetration of the gas into the metal electrode can be prevented or inhibited by the closed surface.
Alternativ kann die Metallelektrode nanostrukturiert porös ausgebildet werden, also beispielsweise nanoskalige Poren aufweisen. In diesem Fall kann das Gas in die Metallelektrode eindiffundieren oder eindriften, so dass die Wechselwirkung alternativ oder zusätzlich zu einer Wechselwirkung an der Oberfläche der Metallelektrode auch im Inneren der Metallelektrode oder innerhalb weiterer Strukturen der Detektionsvorrichtung erfolgen kann.Alternatively, the metal electrode can be formed nanostructured porous, so for example have nanoscale pores. In this case, the gas can diffuse into or penetrate into the metal electrode, so that the interaction, alternatively or in addition to an interaction on the surface of the metal electrode, can also take place inside the metal electrode or within further structures of the detection device.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Metallelektrode ein katalytisch aktives Material aufweisen. Somit kann durch die Wechselwirkung eine Dissoziation des Gases an der Metallelektrode bewirkt werden. Dadurch können bspw. zusätzliche Elektronen freigesetzt werden, die den Leitwert der Detektionsvorrichtung verändern. According to one embodiment, the metal electrode may comprise a catalytically active material. Thus, the interaction can cause dissociation of the gas at the metal electrode. As a result, for example, additional electrons can be released which change the conductance of the detection device.
Ferner kann die Metallelektrode ausgebildet sein, um bei der Wechselwirkung mit dem Gas eine Adsorption des Gases an der Metallelektrode zu bewirken. Dies bewirkt eine Veränderung der Ladung auf oder in der Metallelektrode, die zu einer Änderung der Kapazität der Detektionsvorrichtung führt.Further, the metal electrode may be formed to cause adsorption of the gas on the metal electrode upon interaction with the gas. This causes a change in the charge on or in the metal electrode, which leads to a change in the capacitance of the detection device.
Auch kann die Metallelektrode ausgebildet sein, um bei der Wechselwirkung mit dem Gas eine Diffusion des Gases über die Metallelektrode hin zu der dielektrischen Dünnschicht zu bewirken. Somit können Gasspezies beispielsweise an der dielektrischen Dünnschicht adsorbieren und beispielsweise eine Änderung des Leckstroms der Detektionsvorrichtung bewirken.Also, the metal electrode may be formed to cause diffusion of the gas across the metal electrode toward the dielectric thin film upon interaction with the gas. Thus, for example, gas species may adsorb to the dielectric thin film and cause, for example, a change in the leakage current of the detection device.
In diesem Fall kann die dielektrische Dünnschicht ausgebildet sein, um eine Diffusion des Gases in die mindestens eine dielektrische Dünnschicht zu ermöglichen. Die Diffusion kann durch einen Konzentrationsgradienten des Gases hervorgerufen werden.In this case, the dielectric thin film may be formed to allow diffusion of the gas into the at least one dielectric thin film. The diffusion can be caused by a concentration gradient of the gas.
Auch können die Metallelektrode und die mindestens eine dielektrische Dünnschicht ausgebildet sein, um eine Drift des Gases zu der Rückelektrode zu ermöglichen. Die Drift kann durch ein elektrisches Feld hervorgerufen werden, das zwischen der Metallelektrode und der Rückelektrode angelegt werden kann. Je nach Ausführungsform können sich zu der Rückelektrode gedriftete Gasmoleküle an der Rückelektrode akkumulieren oder weiter durch die Rückelektrode hindurch driften und anschließend von der Rückelektrode, beispielsweise in einen angrenzenden Gasraum freigegeben werden. Somit können die Elektroden als Pumpelektroden ausgebildet sein.Also, the metal electrode and the at least one dielectric thin film may be formed to allow the gas to drift to the back electrode. The drift can be caused by an electric field that can be applied between the metal electrode and the back electrode. Depending on the embodiment, gas molecules dripped to the back electrode may accumulate on the back electrode or continue to drift through the back electrode and then be released from the back electrode, for example into an adjacent gas space. Thus, the electrodes may be formed as pumping electrodes.
Eindiffundierende Gasspezies können somit innerhalb der dielektrischen Dünnschicht akkumulieren, eine chemische Veränderung der dielektrischen Dünnschicht bewirken oder innerhalb der dielektrischen Dünnschicht frei beweglich sein und somit die elektrische Charakteristik der Detektionsvorrichtung auf unterschiedliche Art verändern. Auch kann die dielektrische Dünnschicht als Ionenleiter ausgebildet sein, so dass die Detektionsvorrichtung als Nernstzelle eingesetzt werden kann.Thus, in-diffusion gas species may accumulate within the dielectric thin film, cause a chemical change in the dielectric thin film, or be freely movable within the dielectric film, thus altering the electrical characteristics of the sensing device in a different manner. Also, the dielectric thin film may be formed as an ion conductor, so that the detection device can be used as a Nernst cell.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Detektion eines Gases, innerhalb eines Betriebstemperaturbereiches der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung, das die folgenden Schritte umfasst: Ermöglichen einer Wechselwirkung zwischen der elektrisch leitfähigen nanostrukturierten Metallelektrode und einem zu detektierenden Gas; Erfassen eines Messsignals über den Kontakt der Metallelektrode und den Kontakt der Rückelektrode; Bestimmen mindestens einer elektrischen Charakteristik der Detektionsvorrichtung basierend auf dem Messsignal; und Zuordnen der mindestens einen elektrischen Charakteristik zu einem Gas, das dem zu detektierenden Gas entspricht.The present invention further provides a method for detecting a gas, within an operating temperature range of the detection device according to the invention, comprising the following steps: enabling an interaction between the electrically conductive nanostructured metal electrode and a gas to be detected; Detecting a measurement signal via the contact of the metal electrode and the contact of the return electrode; Determining at least one electrical characteristic of the detection device based on the measurement signal; and assigning the at least one electrical characteristic to a gas corresponding to the gas to be detected.
Gemäß einer Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Verfahren einen Schritt des Anlegens einer vorbestimmten Spannung zwischen dem Kontakt der Metallelektrode und dem Kontakt der Rückelektrode aufweisen. Als Messsignal kann ein aus der vorbestimmten Spannung resultierender Strom erfasst werden.According to one embodiment, the method according to the invention may comprise a step of applying a predetermined voltage between the contact of the metal electrode and the contact of the back electrode. As a measurement signal, a current resulting from the predetermined voltage can be detected.
Um das Messsignal zu erfassen kann eine vordefinierte Gleich- oder Wechselspannung bzw. ein vordefinierter Gleich- oder Wechselstrom an einen oder beide Kontakte bereitgestellt werden. Das Messsignal kann eine Information über einen Widerstand, komplexen Leitwert oder eine Kapazität der Detektionsvorrichtung umfassen. Das Zuordnen der elektrischen Charakteristik zu dem Gas kann mittels einer Zuordnungsvorschrift erfolgen. Dabei kann aus einer Mehrzahl von Gasen, denen jeweils eine bestimmte elektrische Charakteristik zugeordnet ist, dasjenige Gas herausgesucht werden, das der aktuell erfassten elektrischen Charakteristik der Detektionsvorrichtung und somit auch dem Gas entspricht, durch dessen Wechselwirkung sich die aktuell erfasste elektrische Charakteristik eingestellt hat. Bei einer geeigneten Ausprägung des Messsignals können unterschiedliche elektrische Charakteristika zeitgleich ermittelt werden. Dazu kann beispielsweise ein Messsignal eingesetzt werden, das einen von Null verschiedenen Gleichspannungsanteil und einen überlagerten Wechselspannungsanteil oder einen von Null verschiedenen Gleichstromanteil und einen überlagerten Wechselstromanteil aufweist. Auf diese Weise können beispielsweise der komplexe Leitwert und der Kapazitätswert der Detektionsvorrichtung gleichzeitig ermittelt werden.To capture the measurement signal, a predefined DC or AC voltage or a predefined DC or alternating current can be provided to one or both contacts. The measurement signal may include information about a resistance, complex conductance or a capacitance of the detection device. The assignment of the electrical characteristic to the gas can be done by means of an assignment rule. In this case, from a plurality of gases, each of which is assigned a specific electrical characteristic, that gas can be selected which corresponds to the currently detected electrical characteristic of the detection device and thus also to the gas through whose interaction the currently detected electrical characteristic has been established. With a suitable expression of the measurement signal, different electrical characteristics can be determined at the same time. For this purpose, for example, a measurement signal can be used which has a non-zero DC voltage component and a superimposed AC voltage component or a non-zero DC component and a superposed AC component. In this way, for example, the complex conductance and the capacitance value of the detection device can be determined simultaneously.
Gemäß einer Ausführungsform zur Erkennung eines bestimmten Gases können verschiedene Messgrößen kombiniert ausgewertet werden. Z. B. kann eine Kombination aus einer Kapazitäts- und einer Leitwertmessung eindeutig die Information liefern, dass es sich um eine bestimmte Gasspezies XY handelt. Dabei können sich unterschiedliche elektrische Charakteristika der Detektionsvorrichtung aufgrund der Wechselwirkung mit dem Gas gegenläufig oder gleichläufig ändern.According to one embodiment for the detection of a specific gas, different measured variables can be evaluated in combination. For example, a combination of capacitance and conductance measurement can unambiguously provide the information that it is a particular gas species XY. In this case, different electrical characteristics of the detection device due to the interaction with the gas can change in opposite directions or the same direction.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen: The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of preferred embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similarly acting, wherein a repeated description of these elements is omitted.
Die Detektionsvorrichtung ist als eine gassensitive nanostrukturierte Kapazität ausgeführt, wobei die nano-Gaselektrode
Die in den Figuren gezeigte Detektionsvorrichtung in Form einer gassensitiven nanostrukturierten Kapazität kann aus mindestens einer nanostrukturierten elektrisch leitfähigen Gaselektrode
Die Gaselektrode
Die Rückelektrode
Die Detektionsvorrichtung kann über elektrische Kontakte kontaktiert werden und Sensorsignale bereitstellen. Die Messung der Sensorsignale in Abhängigkeit der zu detektierenden Gase kann mittels Impedanzmessungen, bevorzugt Kapazitäts- und/oder Leitwertmessungen, sowie mittels DC-Leckstrommessungen zwischen beiden Elektroden
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Gaselektrode
Ferner können die Gaselektrode
Das Dielektrikum
Ferner kann das Dielektrikum
Ferner können adsorbierte Gasspezies die Potenzialbarrieren an Korngrenzen des Dielektrikums
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Dielektrikum
Da verschiedene zu detektierende Gase mit unterschiedlichen Mechanismen an der nanostrukturierten Kapazität wirken, werden auch die einzelnen Messgrößen je nach Gastyp auf unterschiedliche Weise verändert. Dies kann dazu genutzt werden, um aus der Kombination aller Messgrößen einzelne Gasspezies in einem Testgasgemisch selektiv messen zu können.Since different gases to be detected act on the nanostructured capacity with different mechanisms, the individual measured variables are also changed in different ways depending on the gas type. This can be used to be able to selectively measure individual gas species in a test gas mixture from the combination of all measured variables.
Beispielsweise kann durch Anlegen einer Kleinsignal-Wechselspannung, mit einer Amplitude z. B. im Bereich von 10 mV bis 500 mV, vorzugsweise zwischen 25 mV und 100 mV, und durch Messung des resultierenden Kleinsignal-Wechselstroms aus der Phasenverschiebung dieser beiden Größen die komplexe Impedanz bestimmt werden. Hieraus lassen sich wiederum für die gemessene Probe charakteristische Parameter, wie z. B. Kapazität, komplexer Leitwert oder komplexe Dielektrizitätszahl, berechnen. Da sich zu detektierende Gase auf die einzelnen Parameter gleich- oder gegensinnig auswirken können, kann dies zur selektiven Bestimmung des gemessenen Gases genutzt werden. Z. B. kann die Beaufschlagung mit H2 sowohl eine Kapazitäts- als auch eine Leitwerterhöhung bewirken, während sich bei Beaufschlagung mit NO2 die Kapazität erhöhen, der Leitwert jedoch verringern kann. Somit kann durch gleichzeitige Messung der Kapazität und des Leitwerts auf die gemessene Gasspezies rückgeschlossen werden. Um eine Veränderung eines oder mehrerer charakteristischer Parameter über die Zeit zu erfassen, können Werte der charakteristischen Parameter fortlaufend oder in zeitlich aufeinanderfolgenden Messungen erfasst werden. Die erfassten Werte können zur Auswertung gespeichert werden.For example, by applying a small-signal AC voltage, with an amplitude z. B. in the range of 10 mV to 500 mV, preferably between 25 mV and 100 mV, and by measuring the resulting small-signal alternating current from the phase shift of these two variables, the complex impedance can be determined. From this can in turn for the measured sample characteristic parameters such. For example, calculate capacitance, complex conductance, or complex dielectric constant. Since gases to be detected can have the same or opposite effects on the individual parameters, this can be used for the selective determination of the measured gas. For example, the application of H 2 can cause both a capacity increase and a conductance increase, while the capacity can increase when NO 2 is applied , but the conductance can be reduced. Thus, by simultaneously measuring the capacity and of the conductance to the measured gas species are deduced. In order to detect a change in one or more characteristic parameters over time, values of the characteristic parameters can be acquired continuously or in chronological successive measurements. The recorded values can be stored for evaluation.
Zusätzlich kann der angelegten Kleinsignal-Wechselspannung eine Gleichspannung, von z. B. 100 mV bis 10 V, vorzugsweise 100 mV bis 4 V, überlagert werden. Dadurch können die einzelnen Wirkmechanismen, wie Adsorption, Dissozation, Diffusion oder, Drift, usw., begünstigt bzw. gehemmt werden und somit die Selektivität gegenüber bestimmter Gasspezies weiter gesteigert werden. Der durch diese angelegte Gleichspannung hervorgerufene DC-Leckstrom kann entweder gleichzeitig mit den oben beschriebenen AC-Messungen oder zeitlich nacheinander, z. B. AC-Messung, DC-Messung, AC-Messung, usw., erfasst werden und als weiterer Parameter zur Erkennung beaufschlagter Gasspezies dienen.In addition, the applied small-signal AC voltage, a DC voltage, from z. B. 100 mV to 10 V, preferably 100 mV to 4 V, are superimposed. This allows the individual mechanisms of action, such as adsorption, dissociation, diffusion or drift, etc., favored or inhibited and thus the selectivity to certain gas species can be further increased. The DC leakage current produced by this DC voltage can be applied either simultaneously with the above-described AC measurements or sequentially, e.g. As AC measurement, DC measurement, AC measurement, etc., are detected and serve as another parameter for detecting acted upon gas species.
Die anhand der vorangegangenen Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele werden im Folgenden noch einmal näher beschrieben.The embodiments shown with reference to the preceding figures will be described in more detail below.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird auf einem semiisolieren oder isolierenden Substrat
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Rückelektrode
Alternativ kann auf die Strukturierung der Rückelektrode
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel werden beide Elektroden
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.The embodiments described and shown in the figures are chosen only by way of example. Different embodiments may be combined together or in relation to individual features. Also, an embodiment can be supplemented by features of another embodiment.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder” Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.If an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, this can be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment, either only the first Feature or only the second feature.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102006020253 B3 [0002] DE 102006020253 B3 [0002]
- DE 102005060407 B3 [0003] DE 102005060407 B3 [0003]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- A. Spetz im Journal of Applied Physics (Issue 64, S.1274–S.1283, 1. Aug. 1988) [0005] A. Spetz in the Journal of Applied Physics (Issue 64, p.1274-S.1283, Aug. 1, 1988) [0005]
Claims (13)
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